高频电子线路-第9章

高频电子线路清华大学出版社2012.6第9章高频电路的集成与EDA技术简介高频集成电路如何分类？制作有哪些过程？高频集成电路的发展有哪些挑战？高频电路发展的趋势是什么？电子设计自动化(EDA)工具在高频电路设计中起何作用？目前流行的高频EDA工具有哪些？9.1高频电路的集成技术高频集成电路由不同功能的电路通过微带线组合而成。各电路均由平面化的半导体器件、无源集总参数元件及分布参数元件构成。高频集成电路具有高可靠性、可重复性好、电路性能更好、体积小及成本低等优点。9.1.1高频集成技术与挑战高频集成技术：高频集成电路可分为混合高频集成电路和单片高频集成电路混合高频集成电路中将其中的固态器件和无源元件焊接在介质基板上，其中的高频无源元件包括集总参数元件和分布参数元件，采用厚膜或薄膜技术制作。集总参数元件可以芯片形式焊接也可以采用多层沉淀和电镀技术制作，对分布参数元件使用单层金属化工艺制作。混合高频集成电路分为标准混合高频集成电路和小型混合高频集成电路标准混合高频集成电路采用单层金属化技术制作导体线和传输线，将分立元件如电感、电容、晶体管等焊接在基片上小型混合高频集成电路采用多层制作技术，无源电感、电容、传输线等一次性沉淀在基片上，半导体器件如二极管、晶体管等则焊接在基片表面，这样电路尺寸比标准混合高频集成电路小，但比单片高频集成电路大单片高频集成电路起源于低频集成电路。一个集成电路的制作过程包括：晶体生成并批量生产晶圆(Wafer)，设计者利用EDA工具设计特定功能的电路，经验证后用于后端的布局布线并验证，并以此制作掩模或控制光学及电子束在晶圆上进行氧化、扩散、离子注入、沉积(deposition)、蚀刻(etching)、照相制板、镀膜及后期的切割、归类、单个制膜、焊接、封装、测试。单片高频集成电路采用类似的集成电路制作过程，但电路频率更高，由此导致电路的前端和后端设计技术、EDA工具、半导体材料等均有所不同。单片高频集成电路带来的挑战包括设计技术、设计工具和生产成本。(1)设计技术。设计技术包括系统设计、电路设计、电路板图设计、寄生参数提取、全芯片验证等。(2)设计工具。设计工具使设计过程自动化，使设计可以并行进行，大大提高了设计效率，减低了对设计者的经验要求。(3)生产成本。单片高频集成电路的生产成本包括初始成本、晶片制造成本、后加工成本等。总之，第一个芯片的生产成本非常昂贵，但一旦设计成功，随着时间的推移成品率会提高，销量的增加也会摊薄生产成本。晶片制造成本是直接制造成本，该成本是固定的，与成品率无关。后加工成本包括切割、焊接和封装，后加工中每一步骤均有可能发生芯片的损毁，因此后加工会影响成品率。单片高频集成电路带来的挑战9.1.2高频集成电路的发展与趋势集成度更高即集成电路的特征尺寸不断减小，进而芯片内规模更大，芯片所能应用的频率会更高，功耗更小、封装更小，以及高频处理的数字化和智能化。集成电路的特征尺寸每三年减小30%，集成度增加4倍的Moore定律已经被不断地证明其正确，加工工艺由1μm、0.8μm，到0.5μm、0.35μm、0.25μm，再到0.18μm、0.13μm、90μm、45nm等芯片的工艺进步导致集成度提高，集成度提高导致芯片的规模不断扩大，芯片内集成超过1000万门电路已很平常。集成规模的扩大也使芯片的功能更完善，在一个单芯片上集成各种功能的片上系统(包括ADC、DAC、射频前端、控制器等)已不罕见。移动通信技术的大量使用和不断发展使其工作频段不断提高，以便获得更高的传输带宽，因此射频集成电路必将适应这一发展，出现更高频率的射频集成电路。射频芯片的另一个发展趋势就是功耗和封装尺寸不断减小，通常芯片的供电电压也会不断降低。随着软件无线电技术的发展，数字处理将越来越靠近射频，越来越多的高频信号处理电路将用数字信号处理来实现，使系统更具有灵活性。特别是片上系统将不仅含有高频电路而且也含有大量的数字及其他模拟电路，使芯片不再仅是一个普通的硬件，而是含有大量可编程器件(如软件可编程的MPU、DSP，以及硬件可编程的FPGA，等等)的较完整的系统。相信随着技术的不断发展，一个芯片就是完整系统的时代将会离我们越来越近。9.2高频电路的EDA技术简介EDA(ElectronicsDesignAutomation)即电子设计自动化。EDA技术的发展经历了从利用计算机辅助进行集成电路的版图设计，印制电路板(PCB)的布局布线设计的硬件电路辅助设计阶段；到计算机辅助原理图输入、逻辑仿真、电路分析、自动布局布线、PCB的后分析等的计算机辅助工程的阶段；再到电子系统设计自动化的阶段在电子系统设计自动化阶段，EDA工具将人们从繁重的设计工作中解脱出来，使广大的电子设计工程师能够以一种全新的方式进行电路的设计(即自顶向下的由概念驱动的设计)。从而使一个经验不是很丰富的设计者也能够设计出高质量的芯片或电路，极大地提高了设计者的工作效率，减少了设计差错，缩短了产品的上市时间。对集成电路设计来说，设计方法和高水平的计算机辅助设计工具是成功的关键。对于通常的VLSI，EDA的工具非常多，有包括综合、模拟、版图设计、验证、测试生成等在内的一系列工具来支持整个设计过程。但对高频集成电路，目前尚不具备一整套完善的EDA工具，主要的前端设计工具是电路级的模拟或仿真。这里主要介绍用于高频电路设计仿真的EDA工具，首先一个是适合教学用的EWB或其升级Multisim10电路仿真软件，本章最后简单介绍几个流行的商用工具。9.2.1教学用的EWB1．EWB(MultiSim)简介EWB(ElectronicsWorkbench，现称为MultiSim)是一个电子工作平台，它是加拿大InteractiveImageTechnologies公司于20世纪80年代末、90年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件，后由美国NI公司推出MultiSim。MultiSim具有如下特点(1)采用直观的图形界面创建电路。在计算机屏幕上模仿真实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。(2)软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。(3)EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。(4)作为设计工具，它可以同其他流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。(5)EWB(Multisim)是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。2．Multisim10原理图输入与仿真过程以一个电容三点式振荡电路为例介绍其基本操作流程，分为原理图输入和电路功能仿真两部分。1)原理图输入步骤一：原理图创建。步骤二：放置元件。步骤三：电路连线。2)电路功能仿真步骤一：用虚拟仪器观察电路。步骤二：仿真。步骤三：电路分析。9.2.2商用的EDA软件介绍常用的商用EDA软件有以下几款(1)Protel用于一个完整的电路板级全方位电子设计，包括原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计、可编程逻辑器件设计、图标生成、电子表格生成等功能。(2)Orcad是一种功能强大的EDA设计软件，该软件集成了电路原理图绘制、印制电路板设计、数字电路仿真、可编程逻辑设计、模拟数字电路的混合仿真等功能。(3)Cadence是由cadence公司推出的高级EDA软件，可完成原理图设计、模拟数字仿真及混合仿真、印制电路板设计与制作，还可进行ASIC的设计仿真等。(4)Eesof是由Agilent公司推出的专门用于高频和微波电路设计与分析的专业EDA软件，主要包括ADS(AdvanceDesignSystem)以及MDS/RFDS(MicrowaveDesignSystem/RFDesignSystem)。可以对高频以及微波系统进行系统级和电路级的设计和仿真，可以进行电路板级的仿真分析以及电磁兼容分析、热分析、稳定性分析和灵敏度分析等。本章小结本章介绍了高频集成技术的基本概念和发展趋势及高频EDA技术的初步知识。高频集成电路主要可分为混合高频集成电路和单片高频集成电路单片高频集成电路越来越成为发展的趋势，但也带来了挑战，包括设计技术、设计工具和生产成本高频集成电路的发展趋势大致为：集成度更高即集成电路的特征尺寸不断减小，进而芯片内规模更大，芯片所能应用的频率会更高，功耗更小、封装更小，以及高频处理的数字化和智能化；对集成电路设计来说，设计方法和高水平的计算机辅助设计工具是成功的关键；对于通常的VLSI，EDA的工具非常多，包括综合、模拟、版图设计、验证、测试生成等。介绍EWB及升级版Multisim10进行高频电路仿真，了解流行的商用高频EDA软件。